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Description
実施形態は、半導体素子に関する。 The embodiment relates to a semiconductor device.
高電圧、大電流を制御する半導体装置は、2つの電極板間に複数の半導体素子を配置し、電極板を半導体素子に圧接する構成を有するものがある。このような半導体装置に用いられる半導体素子は、電極板から加わる圧力の集中を緩和するために、厚膜の金属電極を有することが好ましい。 Some semiconductor devices that control high voltage and large current have a configuration in which a plurality of semiconductor elements are arranged between two electrode plates and the electrode plates are pressed against the semiconductor elements. The semiconductor element used in such a semiconductor device preferably has a thick metal electrode in order to alleviate the concentration of pressure applied from the electrode plate.
実施形態は、電気抵抗が低い厚膜の電極を備えた半導体素子を提供する。 Embodiments provide a semiconductor device with a thick film electrode having low electrical resistance.
実施形態に係る半導体素子は、半導体層と、金属電極と、を備える。前記金属電極は、前記半導体層上に設けられ、前記半導体層に接した第1金属領域と、前記第1金属領域の上に設けられた第2金属領域と、前記第2金属領域の上に設けられた第3金属領域と、を含む。前記第2金属領域は、前記第1金属領域の主成分である金属元素よりも酸化物の標準生成自由エネルギーが大きい金属元素を主成分とする。前記第1金属領域は、アルミニウム(Al)もしくはチタニウム(Ti)を主成分として含み、前記第2金属領域は、マグネシウム(Mg)、リチウム(Li)もしくはカルシウム(Ca)のいずれかを主成分として含む。前記第3金属領域は、前記半導体層から前記第2金属領域に向かう方向における前記第1金属領域および前記第2金属領域のトータル厚よりも厚い前記方向の厚さを有する。
The semiconductor element according to the embodiment includes a semiconductor layer and a metal electrode. The metal electrode is provided on the semiconductor layer, on a first metal region in contact with the semiconductor layer, a second metal region provided on the first metal region, and on the second metal region. Includes a third metal region provided. The second metal region is mainly composed of a metal element having a larger standard free energy for forming an oxide than the metal element which is the main component of the first metal region. The first metal region contains aluminum (Al) or titanium (Ti) as a main component, and the second metal region contains either magnesium (Mg), lithium (Li) or calcium (Ca) as a main component. include. The third metal region has a thickness in the direction that is thicker than the total thickness of the first metal region and the second metal region in the direction from the semiconductor layer to the second metal region.
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. The same parts in the drawings are designated by the same number, detailed description thereof will be omitted as appropriate, and different parts will be described. It should be noted that the drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the ratio of the sizes between the parts, and the like are not necessarily the same as the actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be different from each other depending on the drawing.
さらに、各図中に示すX軸、Y軸およびZ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。X軸、Y軸、Z軸は、相互に直交し、それぞれX方向、Y方向、Z方向を表す。また、Z方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。 Further, the arrangement and configuration of each part will be described using the X-axis, Y-axis and Z-axis shown in each figure. The X-axis, Y-axis, and Z-axis are orthogonal to each other and represent the X-direction, the Y-direction, and the Z-direction, respectively. Further, the Z direction may be described as upward, and the opposite direction may be described as downward.
図1は、実施形態に係る半導体素子(以下、半導体チップ1)を示す模式断面図である。半導体チップ1は、例えば、IGBT(Gate Insulated Bipolar Transistor)である。半導体チップ1は、例えば、電力制御用のスイッチング素子として用いられる。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor element (hereinafter, semiconductor chip 1) according to an embodiment. The
図1に示すように、半導体チップ1は、N形ベース層10と、N形ベース層10の上面10T側に設けられたMOS構造20と、を含む。また、半導体チップ1は、N形ベース層10の下方に設けられたP形コレクタ層40と、N形バッファ層45と、を含む。
As shown in FIG. 1, the
N形ベース層10は、例えば、N形シリコン層である。MOS構造20は、P形ベース層21と、N形エミッタ層23と、ゲート電極25と、を含む。ゲート電極25は、例えば、N形エミッタ層23の上面からN形ベース層10に至る深さを有するゲートトレンチ中に設けられ、ゲート絶縁膜を介してP形ベース層21に向き合う。
The N-
N形バッファ層45は、N形ベース層10とP形コレクタ層40との間に設けられる。N形バッファ層45は、N形ベース層10のN形不純物濃度よりも高濃度のN形不純物を含む。
The N-
半導体チップ1は、エミッタ電極30と、ゲートパッド35と、コレクタ電極50と、をさらに含む。
The
エミッタ電極30は、N形エミッタ層23およびゲート電極25の上方に設けられる。エミッタ電極30は、N形エミッタ層23に接する。また、エミッタ電極30は、P形コンタクト層27を介してP形ベース層21に接続される。P形コンタクト層27は、例えば、N形エミッタ層23中に設けられ、P形ベース層21に接する。
The
ゲートパッド35は、絶縁膜33を介してN形ベース層10の上方に設けられる。ゲートパッド35は、絶縁膜33によりN形ベース層10、P形ベース層21、N形エミッタ層23およびP形コンタクト層27から電気的に絶縁される。また、ゲートパッド35は、図示しない部分でゲート電極25に接続される。
The
コレクタ電極50は、N形ベース層10の裏面10Bの下方に設けられる。P形コレクタ層40は、N形バッファ層45とコレクタ電極50との間に位置し、コレクタ電極50に接する。
The
コレクタ電極50は、第1金属領域50Aと、第2金属領域50Bと、第3金属領域50Cと、を含む。第1金属領域50Aは、P形コレクタ層40に接し、P形コレクタ層40に沿ってX方向およびY方向に広がる。第1金属領域50Aは、例えば、アルミニウム(Al)もしくはチタニウム(Ti)を主成分として含む。
The
第2金属領域50Bは、第1金属領域50Aと第3金属領域50Cとの間に設けられる。第2金属領域50Bは、第1金属領域50Aの主成分である金属元素よりも酸化物の標準生成自由エネルギーが大きい金属元素を主成分とする。第2金属領域50Bは、例えば、マグネシウム(Mg)、リチウム(Li)、カルシウム(Ca)、アルミニウム(Al)のいずれかを主成分として含む。第2金属領域50Bは、1400℃以下の温度領域における酸化物の標準生成自由エネルギーが第1金属領域50Aの主成分である金属元素よりも大きい金属元素を主成分として含む。
The
第3金属領域50Cは、第1金属領域50Aおよび第2金属領域50BのZ方向のトータル厚よりも厚いZ方向の厚さを有するように設けられる。第3金属領域50Cは、例えば、3マイクロメートル(μm)以上、25μm以下のZ方向の厚さを有する。
The
第3金属領域50Cは、第1金属領域50Aの主成分である金属元素と同じ金属元素を主成分として含んでも良い。例えば、第1金属領域50Aは、アルミニウム(Al)を主成分として含み、第3金属領域50Cも、アルミニウム(Al)を主成分として含む。
The
また、第3金属領域50Cは、第2金属領域50Bの主成分である金属元素と同じ金属元素を含んでも良い。例えば、第1金属領域50Aは、チタニウム(Ti)を主成分として含み、第2金属領域50Bおよび第3金属領域50Cは、アルミニウム(Al)を主成分として含む。例えば、第1金属領域50Aは、チタニウムもしくはチタニウム化合物であり、第2金属領域50Bは、アルミニウム合金であり、第3金属領域50Cは、アルミニウムである。また、第2金属領域50Bおよび第3金属領域50Cは、一体に形成されても良い。
Further, the
図2は、実施形態に係る半導体装置100を示す模式断面図である。電力変換用のインバータおよびコンバータなどの機器は、所定の耐圧が得られるように、例えば、複数の半導体装置100を積層して構成される。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the
図2に示すように、半導体装置100は、半導体チップ1と、第1電極板60と、第2電極板70と、を含む。第1電極板60と第2電極板70との間に、複数の半導体チップ1が配置される。複数の半導体チップ1は、第1電極板60および第2電極板70に並列接続される。第1電極板60には、例えば、半導体チップ1のコレクタ電極50が接続される。第2電極板70には、半導体チップ1のエミッタ電極30が接続される。
As shown in FIG. 2, the
図2に示すように、半導体チップ1と第2電極板70との間には、金属スペーサ75が配置される。金属スペーサ75は、半導体チップ1のエミッタ電極30に接続される。また、金属スペーサ75は、半導体チップ1と第2電極板70との間に、ゲート配線77を配置するスペースを確保できるZ方向の厚さを有する。ゲート配線77は、半導体チップ1のゲートパッド35(図1参照)に接続される。
As shown in FIG. 2, a
半導体装置100では、例えば、第2電極板70の上方から加えられる圧力により、第1電極板60および第2電極板70に半導体チップ1および金属スペーサ75を圧接させる構成を有する。例えば、半導体チップ1の物理的な破壊(割れや欠け)を回避するために、コレクタ電極50は、例えば、5μm以上、15μm以下のZ方向の厚さを有する柔らかい(硬度の低い)金属である。すなわち、加圧時にコレクタ電極50が変形し、半導体チップ1と第1電極板60との間の局部的な圧力集中を緩和することができる。同様に、エミッタ電極30に接する金属スペーサ75も柔らかい金属材料であることが好ましい。
The
次に、図3、図4(a)~(c)および図5を参照して、実施形態に係る半導体チップ1の製造方法を説明する。図3は、半導体チップ1の製造方法を示すフローチャートである。図4(a)~(c)は、半導体チップ1の製造過程を示す模式断面図である。図5は、半導体チップ1の特性を示す模式断面図である。
Next, a method for manufacturing the
図3のステップS01に示すように、半導体ウェーハSW(図4(a)参照)の表面にMOS構造20を形成する。半導体ウェーハSWは、例えば、N形シリコンウェーハである。半導体ウェーハSWは、シリコンウェーハに限定される訳ではなく、炭化ケイ素(SiC)、砒化ガリウム(GaAs)および窒化ガリウム(GaN)などを材料とするものでも良い。また、MOS構造は、図1に示したトレンチゲート型構造に限定される訳ではなく、プレーナーゲート型構造であっても良い。
As shown in step S01 of FIG. 3, the
続いて、エミッタ電極30およびゲートパッド35を形成した後、半導体ウェーハSWの裏面を研削、研磨もしくはエッチングし、所定の厚さにする(S02)。
Subsequently, after forming the
さらに、半導体ウェーハSWの裏面側に、P形コレクタ層40およびN形バッファ層45を形成する(S03)。P形コレクタ層40およびN形バッファ層45は、例えば、半導体ウェーハSWの裏面にP形不純物およびN形不純物をイオン注入することにより形成される。
Further, a P-
次に、半導体ウェーハSWの裏面上に第1金属層51を形成する(S04)。
図4(a)に示すように、第1金属層51は、P形コレクタ層40の上に形成される。第1金属層51は、例えば、スパッタ法を用いて形成される。第1金属層51は、例えば、アルミニウム(Al)を主成分とする金属層である。また、第1金属層51は、半導体ウェーハを構成する元素を含んでも良い。例えば、第1金属層51は、シリコン(Si)を含む。第1金属層51は、例えば、コンタクトアニール時の温度におけるアルミニウムに対するシリコンの固溶限界もしくはそれ以上の割合でシリコンを含むことが好ましい。
Next, the
As shown in FIG. 4A, the
続いて、第1金属層51の上に第2金属層53および第3金属層55を順に形成する(S05)。第2金属層53および第3金属層55は、例えば、蒸着法を用いて形成される。第2金属層53は、例えば、マグネシウム(Mg)を主成分とする金属層である。第3金属層は、例えば、アルミニウム(Al)を主成分とする金属層である。
Subsequently, the
図4(b)に示すように、第1金属層51の上に第2金属層53を形成する。この際、第1金属層51の表面に自然酸化膜57が形成されている場合がある。
As shown in FIG. 4B, the
例えば、第1金属層51の主成分であるアルミニウムが酸化された場合、第1金属層51の表面には絶縁膜である酸化アルミニウム膜が形成される。第2金属層53は、アルミニウムよりも酸化物生成の標準自由エネルギーが大きいマグネシウムを主成分とする金属層である。このため、第2金属層53を構成するマグネシウムの蒸着が開始され、第1金属層に付着する共に、自然酸化膜57が還元され始める。
For example, when aluminum, which is the main component of the
図4(c)に示すように、第2金属層53を形成した後、第3金属層55を連続して形成する。例えば、第3金属層55を形成する過程において、第1金属層51と第2金属層53との間に位置する自然酸化膜57は還元され、第1金属層51と第2金属層53との間の電気抵抗が低減される。これにより、低抵抗のコレクタ電極50を得ることができる。
As shown in FIG. 4C, after the
続いて、熱処理により半導体ウェーハSW(P形コレクタ層40)と第1金属層51との間のオーミックコンタクトを形成する(S06)。
例えば、第3金属層55が高純度のアルミニウム層であり、第2金属層53を設けない場合には、熱処理の過程において第1金属層51から第3金属層55へシリコン原子が拡散する。その結果、アルミニウムを主成分とする第1金属層51中のシリコン原子の割合が低下し、半導体ウェーハSWと第1金属層51中のアルミニウムの合金化反応が進む。この過程において、第1金属層51の主成分と同じ金属を主成分とするスパイク状の突起が、半導体ウェーハSWと第1金属層51の界面に形成される。この突起は、例えば、P形コレクタ層40を突き抜けてN形バッファ層45に達する場合があり、半導体チップ1の特性を劣化させる。
Subsequently, heat treatment is performed to form ohmic contact between the semiconductor wafer SW (P-type collector layer 40) and the first metal layer 51 (S06).
For example, when the
図5に示すように、第2金属層53を設けることにより、第1金属層51から第3金属層55へのシリコン原子の拡散を抑制することができる。すなわち、第1金属層51におけるシリコン原子の割合を維持し、半導体ウェーハSWと第1金属層51中のアルミニウムの合金化反応を抑制することができる。これにより、半導体ウェーハSWと第1金属層51との界面を均一に形成し、製造歩留りを向上させることができる。
As shown in FIG. 5, by providing the
上記の通り、本実施形態に係る半導体素子の製造方法では、スパッタ法を用いて第1金属層51を形成し、その後、蒸着法を用いて第2金属層53および第3金属層55を形成する。例えば、スパッタ法は、所望の組成を有する金属層を再現性良く形成することが可能であり、半導体ウェーハSWと第1金属層51との間に低抵抗のオーミックコンタクトを形成することができる。しかしながら、スパッタ法により厚い金属層を形成するには、長時間を要し、製造効率の点から現実的ではない。このため、第2金属層53および第3金属層55は、厚い金属層の形成に適した蒸着法を用いて形成される。
As described above, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, the
また、蒸着法を用いて形成される第3金属層55の密度は、スパッタ法を用いて形成され、同じ金属元素を主成分とする第1金属層51よりも低い金属密度を有する。例えば、アルミニウム(Al)を主成分とする金属層を用いる場合、スパッタ法を用いて形成された第1金属層51の方が、蒸着法を用いて形成された第3金属層55よりも3%以上大きい金属密度を有する。金属密度は、例えば、透過X線を用いて測定される。
Further, the density of the
一方、第1金属層51と第2金属層53を連続的に形成せず、第1金属層51を形成した後、半導体ウェーハSWを外気に晒した場合、第1金属層51の表面には自然酸化膜57が形成され、第1金属層51とその上に形成される金属層との間の電気抵抗が大きくなる。本実施形態では、第1金属層51の主成分である金属元素よりも酸化物生成の標準自由エネルギーが大きい金属元素を主成分とする第2金属層53を形成することにより、自然酸化膜57を還元し、電気的に低抵抗のコレクタ電極50を形成することができる。
On the other hand, when the semiconductor wafer SW is exposed to the outside air after the
また、第1金属層51としてチタニウム(Ti)を用いた場合には、第2金属層53としてアルミニウム(Al)を主成分とする金属層を形成する。これにより、第1金属層51の表面に形成される酸化チタニウムを還元し、低抵抗のコレクタ電極50を得ることができる。また、チタニウムを主成分とする第1金属層51の上に、マグネシウム(Mg)、リチウム(Li)、カルシウム(Ca)、のいずれかを主成分とする第2金属層53を形成しても良い。
When titanium (Ti) is used as the
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and variations thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
1…半導体チップ、 10…N形ベース層、 10B…裏面、 10T…上面、 20…MOS構造、 21…P形ベース層、 23…N形エミッタ層、 25…ゲート電極、 27…P形コンタクト層、 30…エミッタ電極、 33…絶縁膜、 35…ゲートパッド、 40…P形コレクタ層、 45…N形バッファ層、 50…コレクタ電極、 50A…第1金属領域、 50B…第2金属領域、 50C…第3金属領域、 51…第1金属層、 53…第2金属層、 55…第3金属層、 57…自然酸化膜、 60…第1電極板、 70…第2電極板、 75…金属スペーサ、 77…ゲート配線、 100…半導体装置、 SW…半導体ウェーハ 1 ... Semiconductor chip, 10 ... N-type base layer, 10B ... Back surface, 10T ... Top surface, 20 ... MOS structure, 21 ... P-type base layer, 23 ... N-type emitter layer, 25 ... Gate electrode, 27 ... P-type contact layer , 30 ... Emitter electrode, 33 ... Insulation film, 35 ... Gate pad, 40 ... P-type collector layer, 45 ... N-type buffer layer, 50 ... Collector electrode, 50A ... First metal region, 50B ... Second metal region, 50C … Third metal region, 51… first metal layer, 53… second metal layer, 55… third metal layer, 57… natural oxide film, 60… first electrode plate, 70… second electrode plate, 75… metal Spacer, 77 ... Gate wiring, 100 ... Semiconductor device, SW ... Semiconductor wafer
Claims (4)
前記半導体層上に設けられ、前記半導体層に接した第1金属領域と、前記第1金属領域の上に設けられた第2金属領域と、前記半導体層から前記第2金属領域に向かう方向における前記第1金属領域および前記第2金属領域のトータル厚よりも厚い前記方向の厚さを有し、前記第2金属領域の上に設けられた第3金属領域と、を含む金属電極と、
を備え、
前記第2金属領域は、前記第1金属領域の主成分である金属元素よりも酸化物の標準生成自由エネルギーが大きい金属元素を主成分とし、
前記第1金属領域は、アルミニウム(Al)もしくはチタニウム(Ti)を主成分として含み、
前記第2金属領域は、マグネシウム(Mg)、リチウム(Li)もしくはカルシウム(Ca)のいずれかを主成分として含む半導体素子。 With the semiconductor layer,
A first metal region provided on the semiconductor layer and in contact with the semiconductor layer, a second metal region provided on the first metal region, and a direction from the semiconductor layer toward the second metal region. A metal electrode having a thickness in the above direction, which is thicker than the total thickness of the first metal region and the second metal region, and including a third metal region provided on the second metal region.
Equipped with
The second metal region is mainly composed of a metal element having a larger standard free energy for forming an oxide than the metal element which is the main component of the first metal region .
The first metal region contains aluminum (Al) or titanium (Ti) as a main component and contains.
The second metal region is a semiconductor device containing either magnesium (Mg), lithium (Li) or calcium (Ca) as a main component .
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